專利名稱：全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法及其熱管理結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體熱容激光器，特別是一種全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法及其熱管理結(jié)構(gòu)，能改善激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)內(nèi)溫度梯度，在冷卻階段能短時(shí)間內(nèi)對其進(jìn)行有效安全冷卻的熱管理方法。它是一種用于激光二極管陣列(LaserDiode Array，簡稱為LDA)抽運(yùn)高平均功率固體熱容激光器中，能實(shí)現(xiàn)對激光增益介質(zhì)進(jìn)行有效熱控制的熱管理。
背景技術(shù)：
連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下的高平均功率固體激光器，激光的發(fā)射和冷卻同時(shí)進(jìn)行。本發(fā)明涉及的是一種LDA抽運(yùn)固體激光器，并在熱容方式下工作，即激光的發(fā)射過程和對激光增益介質(zhì)的冷卻過程在時(shí)間上是分開的。理論計(jì)算表明，固體熱容激光器(SolidState Heat Capacity Laser，簡稱為SSHCL)非絕熱的邊界條件會(huì)導(dǎo)致工作介質(zhì)在垂直光軸方向產(chǎn)生溫度梯度，由此導(dǎo)致光束有效通光孔徑的減小或?qū)?huì)對波面產(chǎn)生影響[參見侯立群等，中國激光，2006，33(7)]。因此在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)盡量采取一些措施使介質(zhì)接近準(zhǔn)絕熱狀態(tài)，從而保證非通光方向溫度的均勻性。在SSHCL的激光發(fā)射階段，激光介質(zhì)的溫度不斷升高，在激光發(fā)射結(jié)束后，為盡快進(jìn)入下一個(gè)工作周期，必須對熱的激光增益介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，這會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)的溫度分布與發(fā)射階段截然相反，且與實(shí)時(shí)冷卻方式介質(zhì)的冷卻有著不同的特性，主要表現(xiàn)在冷卻初期溫度梯度及瞬時(shí)應(yīng)力較大。
關(guān)于SSHCL熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，國內(nèi)尚無公開發(fā)表的文獻(xiàn)。國外的一些文章對SSHCL工作介質(zhì)的冷卻方法進(jìn)行了討論Albrecht等人探討了氣體強(qiáng)迫對流冷卻和相變冷卻法在SSHCL介質(zhì)冷卻中的應(yīng)用，并給出了估算一維近似下板條冷卻階段最大溫差和最大應(yīng)力的公式[Laser and Particle Beams，1998，16(4)605-225]。美國利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室則提出增益介質(zhì)交換的方法(采用可活動(dòng)式的板條)，可實(shí)現(xiàn)SSHCL的準(zhǔn)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[專利U.S.6,862,308]。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法及其熱管理結(jié)構(gòu)，以改善激光發(fā)射階段增益介質(zhì)內(nèi)溫度梯度，且在冷卻階段能在短時(shí)間內(nèi)對SSHCL增益介質(zhì)進(jìn)行有效安全冷卻的熱管理，除了在激光發(fā)射階段能對增益介質(zhì)有效絕熱從而改善非通光方向的溫度梯度外，還能在冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)后短時(shí)間內(nèi)對增益介質(zhì)進(jìn)行冷卻，從而保證冷卻過程中介質(zhì)內(nèi)最大應(yīng)力在安全應(yīng)力范圍內(nèi)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法，其特征是抽運(yùn)光和輸出激光方向一致，在激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)非抽運(yùn)面近似絕熱，冷卻階段采用流速增加的常溫的冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，在冷卻初期，采用常溫低流速的冷卻介質(zhì)對熱的激光介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，數(shù)秒后迅速增加冷卻介質(zhì)的流速。
所述的冷卻介質(zhì)的低流速的下限為維持冷卻介質(zhì)處于湍流狀態(tài)。
實(shí)施上述的全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法的熱管理結(jié)構(gòu)，包括激光介質(zhì)非抽運(yùn)面的絕熱結(jié)構(gòu)由壓緊裝置將一絕熱材料層貼合于激光介質(zhì)的非抽運(yùn)面；冷卻抽運(yùn)面的冷卻通道冷卻通道由窗口玻璃、激光介質(zhì)的兩抽運(yùn)面及置于二者周沿的密封圈、冷卻介質(zhì)的入口和出口構(gòu)成；冷卻介質(zhì)的流速控制系統(tǒng)。
所述的冷卻介質(zhì)為水，或氣體。
一種全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法，其特征是抽運(yùn)光和輸出激光方向一致，在激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)非抽運(yùn)面近似絕熱，冷卻階段采用流速增加的常溫的冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。
由于冷卻通道尺寸的有限性，可將本換熱問題視為有限尺寸管內(nèi)的強(qiáng)迫對流換熱。由于在冷卻時(shí)激光已停止發(fā)射，故可以使冷卻介質(zhì)保持在湍流狀態(tài)以提高對流換熱系數(shù)。針對湍流狀態(tài)下的對流換熱問題，對流換熱系數(shù)h與冷卻介質(zhì)的熱物理性質(zhì)、流速u及冷卻通道的特征尺寸de有關(guān)，假設(shè)冷卻介質(zhì)在冷卻過程中物性不變且在冷卻通道中的流動(dòng)已充分發(fā)展，則對流換熱系數(shù)h可表示為h=0.023(udev)0.8Pr0.4kde···(1)]]>其中，k為冷卻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)；v為冷卻介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)黏度；Pr為普朗特?cái)?shù)，由冷卻介質(zhì)的類型和溫度決定；de為通道的特征尺寸，由下式計(jì)算得出de=2bHb+H···(2)]]>其中，b為激光介質(zhì)的高度，H為冷卻通道的高度。
當(dāng)冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻介質(zhì)確定后，換熱系數(shù)只和冷卻介質(zhì)流速有關(guān)。在冷卻初期，采用常溫低流速的冷卻介質(zhì)對熱的激光介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，這時(shí)換熱系數(shù)較低，在冷卻激光介質(zhì)的同時(shí)保持了冷卻所致應(yīng)力在安全范圍之內(nèi)。冷卻介質(zhì)的流速可由下式計(jì)算u=vde0.25(h0.023Pr0.4k)1.25···(3)]]>初始流速的下限應(yīng)能維持冷卻介質(zhì)處在湍流態(tài)，這樣可取得較好的冷卻效果。冷卻數(shù)秒后迅速線性增加冷卻介質(zhì)的流速，增加的幅度視實(shí)際對冷卻時(shí)間的要求，提高流速的時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)和被冷卻的激光介質(zhì)熱性質(zhì)有關(guān)，熱擴(kuò)散系數(shù)大的激光介質(zhì)的時(shí)間點(diǎn)短，熱擴(kuò)散系數(shù)小的激光介質(zhì)的時(shí)間點(diǎn)長。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在激光發(fā)射階段，絕熱結(jié)構(gòu)保證了激光介質(zhì)在非通光方向處在近似絕熱的條件下，因此改善了介質(zhì)在非通光方向上的溫度分布，使得溫度梯度及應(yīng)力梯度對輸出波面的影響降低；在冷卻階段，實(shí)時(shí)控制冷卻介質(zhì)的流速以改變對流換熱系數(shù)，冷卻初期采用低流速，數(shù)秒后迅速提高冷卻介質(zhì)的流速。同時(shí)采用的是常溫的冷卻介質(zhì)，與低溫冷卻介質(zhì)相比，既降低了對冷卻系統(tǒng)的要求又降低了冷卻初期與被冷卻介質(zhì)接觸時(shí)帶來的應(yīng)力。這樣可使冷卻初期激光介質(zhì)內(nèi)的最大應(yīng)力降低10％以上，從而不至超過安全應(yīng)力范圍，同時(shí)有效縮短了冷卻時(shí)間，縮短的程度取決于實(shí)際應(yīng)用需求所采取的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻介質(zhì)流速。


圖1為本發(fā)明的激光增益介質(zhì)示意2為本發(fā)明熱管理結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理示意簡圖(Y-Z剖面圖)圖中1為抽運(yùn)光，2為抽運(yùn)面，3為非抽運(yùn)面，4、11為窗口玻璃，5、8為出水管，6、16為壓板，7、17為絕熱材料，9、14為密封圈，10為激光介質(zhì)，12、19為冷卻通道，13為冷卻介質(zhì)，15、18為進(jìn)水管。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
圖1為本發(fā)明的激光增益介質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖，激光介質(zhì)10可以是激光玻璃，也可以是Nd:GGG或Nd:YAG或其它可工作于熱容方式的激光晶體。抽運(yùn)光束1從Z方向兩側(cè)入射，X-Y面為抽運(yùn)面，其它面為非抽運(yùn)面。
圖2為本發(fā)明熱管理結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意簡圖。本發(fā)明涉及的熱管理結(jié)構(gòu)由兩大部分組成1)壓板6、16和絕熱材料7、17構(gòu)成絕熱結(jié)構(gòu)，其中絕熱材料7、17貼合于激光介質(zhì)10，壓板6、16分別在絕熱材料7、17之外將所述的絕熱材料7、17固定；2)窗口玻璃4、11分別通過密封圈9、14和激光介質(zhì)10構(gòu)成板條形激光介質(zhì)10兩側(cè)的冷卻通道12、19，該通道高度H根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。H直接影響到換熱系數(shù)h，可由公式1進(jìn)行理論估算，設(shè)計(jì)高度應(yīng)保證換熱系數(shù)不低于0.3W/cm2K。5、8為出水管，15、18為進(jìn)水管。
在激光發(fā)射階段，絕熱結(jié)構(gòu)改善了非通光方向的溫度分布，未采用絕熱結(jié)構(gòu)時(shí)溫度分布除通光方向不均勻外，在Y方向也為非均勻分布；采用絕熱結(jié)構(gòu)后，溫度分布在Y方向是均勻的，由此降低了輸出波面的畸變。冷卻系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，通道中通以常溫的冷卻介質(zhì)13，初期采用低流速，數(shù)秒后迅速線性均勻提高流速，提高對流換熱系數(shù)，從而達(dá)到安全快速冷卻的目的。
針對激光發(fā)射時(shí)間10秒鐘、平均輸出功率5kW的Nd:GGG板條熱容激光器設(shè)計(jì)方案，冷卻介質(zhì)為室溫水的情況下，當(dāng)通道高度H＝5mm時(shí)，本發(fā)明在冷卻初始保持水流速1m/s(對流換熱系數(shù)約0.4W/cm2K)，約3秒后迅速提高流速，這樣，在冷卻階段最大應(yīng)力約為85MPa，處于安全應(yīng)力范圍之內(nèi)，且在30秒后板條形激光介質(zhì)10的溫度分布均勻，趨于室溫293K。
權(quán)利要求
1.一種全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法，其特征是抽運(yùn)光和輸出激光方向一致，在激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)非抽運(yùn)面近似絕熱，冷卻階段采用流速增加的常溫的冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，在冷卻初期，采用常溫低流速的冷卻介質(zhì)對熱的激光介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，數(shù)秒后迅速增加冷卻介質(zhì)的流速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法，其特征是所述的冷卻介質(zhì)的低流速的下限為維持冷卻介質(zhì)處于湍流狀態(tài)。
3.實(shí)施權(quán)利要求1所述的全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法的熱管理結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括激光介質(zhì)非抽運(yùn)面的絕熱結(jié)構(gòu)由壓緊裝置將一絕熱材料層貼合于激光介質(zhì)的非抽運(yùn)面；冷卻抽運(yùn)面的冷卻通道冷卻通道由窗口玻璃、激光介質(zhì)的兩抽運(yùn)面及置于二者周沿的密封圈、冷卻介質(zhì)的入口和出口構(gòu)成；冷卻介質(zhì)的流速控制系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)熱容激光器的熱管理結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的冷卻介質(zhì)為水，或氣體。
全文摘要
一種全固態(tài)熱容激光器的熱管理方法及其熱管理結(jié)構(gòu)，其方法的特點(diǎn)是抽運(yùn)光和輸出激光方向一致，在激光發(fā)射階段激光增益介質(zhì)非抽運(yùn)面近似絕熱，冷卻階段采用流速增加的常溫的冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻，在冷卻初期，采用常溫低流速的冷卻介質(zhì)對熱的激光介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻，數(shù)秒后迅速增加冷卻介質(zhì)的流速。熱管理結(jié)構(gòu)由激光介質(zhì)非抽運(yùn)面的絕熱結(jié)構(gòu)、冷卻抽運(yùn)面的冷卻通道、冷卻介質(zhì)及其流速的控制系統(tǒng)構(gòu)成。利用本發(fā)明改善激光發(fā)射階段增益介質(zhì)內(nèi)溫度梯度，對增益介質(zhì)進(jìn)行有效冷卻，保證冷卻過程中增益介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力處在安全應(yīng)力范圍。
文檔編號H01S3/04GK1845400SQ200610026618
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月17日
發(fā)明者侯立群, 祖繼鋒, 劉志剛, 董玥, 尹憲華, 朱健強(qiáng) 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所